人工林土壤微食物网结构重组增强碳矿化的生态机制

《Geoderma》：Structural changes in soil microbial and nematode communities enhance soil carbon mineralization following subalpine forest conversion to plantations

本研究针对亚高山天然林转为人工林后土壤碳库稳定性下降的生态问题，通过分析土壤微食物网（微生物-线虫多营养级互作）的结构与功能关联，揭示人工林通过降低土壤微食物网稳定性（连通性指数下降57%），显著提高碳矿化速率（增加133%）的生态机制。路径模型证实土壤微食物网是人工林影响碳循环的关键介质，为人工林可持续管理提供了新视角。

　　

在亚高山地区，森林生态系统承载着重要的碳汇功能，然而近几十年来大规模的人工造林工程在恢复植被的同时，也引发了土壤碳库稳定性下降的生态隐忧。传统研究多关注地上植被变化或土壤理化性质，而对地下生物群落如何响应森林类型转变并反馈于生态系统功能的认知仍存在空白。土壤微食物网作为连接微生物与线虫的多营养级网络，在有机质分解和养分循环中扮演着关键角色，但其在人工林与天然林之间的结构差异及生态效应尚未系统揭示。

研究人员在四川省理县米亚罗自然保护区（海拔3200-3300米）选取40年树龄的云杉纯林和毗邻的50年以上天然林作为研究对象。通过采集0-20厘米土层样品，结合磷脂脂肪酸（PLFA）分析技术测定微生物群落组成，采用浅盘法分离并鉴定线虫至属级水平（共鉴定37个属），同时通过21天室内培养测定土壤碳（CO₂排放）氮矿化速率。运用连通性指数量化微食物网稳定性，并通过偏最小二乘路径模型（PLS-PM）解析多因子相互作用机制。

3.1 土壤微食物网组成和结构

天然林转为人工林后，土壤细菌生物量降低10%，线虫总丰度下降41%，其中食细菌线虫和捕食/杂食线虫降幅尤为显著。典型菌食性线虫属Plectus在天然林的个体数量（305条/100克干土）显著高于人工林（57条）。尽管人工林中线虫属丰富度和香农多样性更高，但其细菌通道、真菌通道和捕食者通道的连通性指数均显著低于天然林（P < 0.05），表明微食物网稳定性下降57%。

3.2 土壤微食物网与碳氮矿化的关系

人工林土壤有机碳（SOC）含量降低，碳矿化速率较天然林提升133%，而氮矿化无显著差异。线性回归显示碳矿化速率与真菌食线虫丰度、微生物总生物量呈正相关，与细菌/真菌线虫比率负相关。路径模型表明，森林类型通过改变土壤线虫（路径系数0.58）和微生物（路径系数0.40）群落间接驱动碳矿化，其总效应甚至超过土壤有机碳的直接作用。

4.1 人工林与天然林的微食物网差异

人工林中细菌生物量与菌食线虫的同步下降印证了营养级联效应。尽管线虫多样性升高，但关键功能类群（如Plectus）的缺失和高阶营养级（捕食/杂食线虫）的衰减导致微食物网结构简化。连通性指数降低反映生物互作网络脆弱化，这与天然林长期形成的稳定互作模式形成对比。

4.2 微食物网对碳矿化的调控作用

碳矿化增强与真菌通道的活化密切相关：真菌食线虫通过捕食作用加速真菌介导的有机质分解，而云杉凋落物的高木质素含量进一步强化了真菌途径的主导地位。研究首次通过路径模型证实，土壤微食物网是人工林引发碳流失的关键生物驱动因子，为解释人工林土壤碳汇功能减弱提供了新机制。

该研究揭示了亚高山人工林土壤微食物网结构简化导致碳固存功能衰退的生态链条，强调在人工林管理中需重视地下生物网络稳定性的维持。未来应通过调控植物多样性、保留关键土壤生物类群等措施，增强人工林生态系统服务的可持续性。